Tomographic approaches for airborne lidar bathymetry data processing
Final Report Abstract
Airborne LiDAR Bathymetrie (ALB) ist ein effizientes Messverfahren für die Ableitung von Gewässerbodentopographien in Flachwasserbereichen. Dabei können große Flächen zeiteffizient und mit einer hohen Punktdichte erfasst werden. Allerdings wird die auswertbare Gewässertiefe insbesondere durch die Gewässertrübung limitiert, die im Messsignal zu schwachen Gewässerbodenechos nahe dem Rauschniveau führt. Diese können ohne zusätzliche Informationen über die Gewässertiefe nicht zuverlässig detektiert werden. Zur Erhöhung der auswertbaren Gewässertiefe wurden zwei Verfahren (signalbasiertes und volumetrisches Full-Waveform Stacking) entwickelt, welche auf der Annahme basieren, dass der Gewässerboden einen stetigen Verlauf zeigt und räumlich benachbarte Messungen somit eine ähnliche Charakteristik des Signalverlaufs der Full-Waveform bzw. der Gewässertiefe aufweisen. Darauf aufbauend gehen die entwickelten Auswerteverfahren weg von der isolierten Auswertung der Full-Waveform Daten hin zu einer kombinierten Auswertung der räumlich dicht benachbarten Messungen mit dem Ziel, zusätzliche Informationen bzgl. der Gewässertiefe zu extrahieren. Die so gewonnenen Gewässertiefeninformationen bilden die Grundlage für die Detektion der Gewässerbodenehos in den gemessenen Full-Waveforms. Die Bestimmung von zusätzlichen Gewässertiefen basiert beim signalbasierten Full-Waveform Stacking auf der Analyse und Auswertung einer stacked Full-Waveform (Akkumulation von Full-Waveforms). Beim volumetrischen Full-Waveform Stacking wird auf die Ortho-Full-Waveform zurückgegriffen, welche aus einer lokalen Voxelraumrepräsentation der Full-Waveform Information abgeleitet wird. Beide Methoden wurden anhand von ALB Full-Waveform Daten der Elbe validiert. Die Gewässertiefe konnte für diesen Datensatz um etwa 30 % (von ca. 1,65 m auf ca. 2,15 m) erhöht und die Abdeckung des Gewässerbodens durch ALB-Punkte etwa verdoppelt werden konnte. Vergleiche mit Echolotmessungen bestätigen die gute Genauigkeit (RMS = 9 - 10 cm) und Zuverlässigkeit (|∆h| ≤ 25 cm für 98 % der Punkte) der Methoden. Die Trübung stellt nicht nur einen maßgeblich limitierenden Faktor für die ALB sondern auch einen Parameter zur Beschreibung der Qualität eines Gewässers dar. Die Analyse des Signalverlaufs zwischen Wasseroberflächenecho und Gewässerbodenecho erlaubt eine Quantifizierung der Trübung durch Trübungsparameter. Im Forschungsprojekt wurden zwei Verfahren zur Ableitung von Trübungsparametern erprobt, die exponentielle Funktionsapproximation (EFA) und der Surface-Volume-Bottom Ansatz (SVB). Die Evaluierung der Ergebnisse zeigt, dass die exponentielle Funktionsapproximation an Ortho-Full-Waveforms am besten für die Ableitung von Trübungsparametern geeignet ist. Eine Weiterentwicklung der exponentiellen Funktionsapproximation ermöglicht zudem die Bestimmung von tiefenaufgelösten Trübungsparametern. Zur Validierung der Methodik wurde an einem Klarwassersee in Österreich ein ALB-Datensatz gemeinsam mit umfangreichen Referenzmessung aufgenommen. Die mit der segmentweisen exponentiellen Funktionsapproximation (sEFA) detektierte Trübungsvariation wurde durch die Referenzmessungen für Chlorophyllgehalt und Trübung bestätigt. Die im Forschungsprojekt entwickelten Methoden ermöglichen die Ableitung zusätzlicher Informationen aus Full-Waveform ALB-Daten. Dabei sind keine speziellen Sensoreinstellungen oder Hardwareweiterentwicklungen erforderlich. Somit ist prinzipiell auch eine Re-Prozessierung von Bestandsdatensätze möglich, sofern die nötigen Full-Waveform Daten verfügbar sind.
Publications
-
DETECTION AND EXTRACTION OF WATER BOTTOM TOPOGRAPHY FROM LASERBATHYMETRY DATA BY USING FULL-WAVEFORM-STACKING TECHNIQUES. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLII-2/W13, 1053-1059.
Mader, D.; Richter, K.; Westfeld, P.; Weiß, R. & Maas, H.-G.
-
Detektion und Extraktion von Gewässersohlenpunkten aus Laserbathymetriedaten unter Nutzung von Full-Waveform-Stacking. Dreiländertagung der DGPF, OVG und SGPF in Wien, Österreich - Publikationen der DGPF Band 28 (2019)
Mader, D., Richter, K., Westfeld, P., Weiß, R. & Maas, H.-G.
-
IMPROVEMENTS IN LIDAR BATHYMETRY DATA ANALYSIS. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLII-2/W10, 113-117.
Maas, H.-G.; Mader, D.; Richter, K. & Westfeld, P.
-
Potential of a Non-linear Full-Waveform Stacking Technique in Airborne LiDAR Bathymetry. PFG – Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Geoinformation Science, 89(2), 139-158.
Mader, David; Richter, Katja; Westfeld, Patrick & Maas, Hans-Gerd
-
WATER TURBIDITY ESTIMATION FROM LIDAR BATHYMETRY DATA BY FULL-WAVEFORM ANALYSIS – COMPARISON OF TWO APPROACHES. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLIII-B2-2021, 681-688.
Richter, K.; Mader, D.; Westfeld, P. & Maas, H.-G.
-
DETERMINATION OF 3D WATER TURBIDITY PARAMETER FIELDS FROM LIDAR BATHYMETRY DATA BY VOLUMETRIC DATA ANALYSIS. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLIII-B2-2022, 945-951.
Richter, K.; Mader, D.; Westfeld, P. & Maas, H.-G.
-
Volumetrisches Full-Waveform Stacking zur Ableitung der Gewässerbodentopographie aus Laserbathymetriedaten - Erste Ergebnisse einer Pilotstudie am Fluss Elbe. Tagungsband Dreiländertagung der DGPF, der OVG und der SGPF, 127-139 (2022), Tagungsband
Mader, D., Richter, K., Westfeld, P. & Maas, H.-G.
